汪_wei
微生物与环境 摘要：微生物在生物圈中无处不在，无时不在，微生物能够忍受的最极端的生活条件就是生命存在的极限。我们很容易地把高等植物、动物对我们人类生产生活的影响视为理所当然，然而，只有当某种微生物引起的灾害发生时（如瘟疫爆发、食物腐败或工农业产品受到侵蚀时）发生时，大多数人才想起微生物并把它们视为令人恐惧和怨恨的隐形敌人。事实上，我们这个有限的生物圈所进行的物质循环和能量流动、植物和动物所进行的各种有序高效的生命活动都离不开微生物，没有微生物，就没有我们这个生机盎然的生命乐园。关键词：微生物 物质循环 环境治理一、 微生物与物质循环 我们这个星球的大气、土壤和贆的组成经历了几千万年的逐渐变化才成为我们今天所知的这个生物圈。但就从今天看来，我们这个生物圈的组成在相当长的一段时期内已是恒定不变的了。生物圈中各种生命形式所需要的各种营养物质和元素的问题是有限的，而生物界的延续和发展是无限的，这一矛盾只有使地球上任何一种生命活动所引起的变化被其他的生命活动所逆转的情况下才能得到解决，换句话说，就是让各种营养元素循环往复地变化，由生物合成到非生物合成，然后再从非生物合成到生物合成。在这个过程中，动物植物无休止地向自然界索取营养元素并为己所用，然后它们又“大方”地向自然界排放废物垃圾（动物和植物的粪便、遗骸和残枝败叶），微生物却从事着最脏最累最为人不齿的垃圾处理工作，如果没有微生物，我们将会生活在一个到处充斥着有害气体的恶臭难耐的垃圾堆中。氮素的生物循环离不开微生物的生命活动。排除非生物因素在外，将空气中游离的氮气变成化合态氮并随之进入生物合成的只有微生物，将氮素以氮气的形式还给大气的也只有微生物。在游离的不能被动植物直接利用的氮气和化合的可被植物吸收的氮素的相互转化过程中，微生物起到了纽带的作用。将氮气引入氮素循环的是是固氮微生物，固氮微生物将氮气将化为氨并在亚硝化细菌和硝化细菌的共同作用下转化为硝酸根离子，铵盐和硝酸盐均能被 植物和微生物吸收，并同化为有机氮。动植物死亡后的含氮有机残余物可在微生物的氨化作用下生成氨气，氨继续通过硝化作用和反硝化作用可转化成氮气回归大气。由此可见微生物在氮素循环中的重要作用。另一个对生物圈至关重要的生物循环是碳循环。在碳循环中，微生物好像不像在氮循环中的作用那样的举足轻重。因为我们都知道，植物的逃命作用是二氧化碳生物合成的最主要途径，有机碳通过食物链在动植物间传递，动植物通过自己的呼吸作用将大败毒还原给生物圈。这似乎已经构成了一个完整的碳素循环从而将微生物排除在了这个循环之外。这样想的话，我们就忽略了两个基本的常识。第一，有哪种动物或者植物傻呼呼地把自己辛辛苦苦同化来的成果一点不剩地给呼吸掉，随着它们的衰亡，它们的枝体不断地凋零，它们体内的废物不断向处排泄，就算走到生命的尽头，还要把自己的一副残骸留给生物圈。这些无用的有机废物的分解转化还是要靠微生物来完成的，在这个过程中碳素以二氧化碳的形式回归大气。第二，我们的星球70%的面积是蔚蓝的海洋，海洋中有着极其丰富多彩的生命形式，它们所需的营养归根结底都来源于海洋中的生产者，而海洋中能够进行光合作用的微生物（藻类、蓝细菌等）充当了这一角色，海洋中二氧化碳的固定基本上都是有微生物来完成的。硫作为生物体内某些氨基酸、维生素和辅酶的成分，也是生物的重要元素，而硫循环则完全领带于微生物的活动。在硫循环中，动植物蛋白质的硫是从植物而来的，而植物则是从土壤中获得硫酸根，且只能利用硫酸根。在死去的物质的腐烂分解过程中，细菌将硫以硫化氢形式释放，硫化氢可以在硫化细菌的作用下氧化成硫单质或硫酸根，硫酸根除了被植物利用外，还能被反硫化细菌还原成硫化氢。这些将硫元素不断还原和氧化的细菌几乎毫无生物学关系，它们的共同点只是代谢都离不开硫罢了。其它元素如氢、铁、镁、硅和磷也是生物大分子结构的组成部分，它们有着类似的循环过程。在磷的循环中，并不存在磷的氧化还原过程，主要是磷酸根的有效化和无效化过程，微生物在磷酸根的有效化过程中发挥着关键的作用。微生物在这些营养元素的循环中的作用就不再赘述。二、 微生物与环境治理 科学技术的应用促进了人类文明的发展，使人们得到了前所未有的物质享受。人类把从自然界拿各种物质加工、合成、转化成我们生活中的各种工艺品和奢侈品，当这些由橡胶、塑料、玻璃等制造的物品破旧不堪，难以再用的时候，我们又把它们重新堆集到自然界。与些同时，我们还在向这个行星的生物圈中抛弃衣服、食物残渣、残枝败叶、同伴遗体、宠物和家畜的粪便、生活污水等等。是什么东西才得以使我们避免生活在没过膝盖的垃圾臭粪中去的呢？是微生物。微生物代谢方式的多样性和易变异性使之具有多种多样的物质转化能力，它的这咱能力对污染环境的废物和有毒物质降解和清除有很好的效果，从自然界存在的天然化合物到人工合成的有机物都能找到能降解它们的微生物。工农业生产向水体和土壤中排放了大量的包括化学农药在内的一大批人工合成物质，这些物质称为异生物质，它们是自然界本来没有的，一般不容易自行降解或降解过程异常缓慢。微生物一般都含有降解某种大分子有机物的降解性酶，编码这种酶的遗传因子一般位于质粒上，质料比较容易在不同的菌种之间转移，经过突变和适应后一些微生物往往可以获得其本身所不具备的降解能力，微生物的这种特性使得它在污染物处理中具有巨大的应用价值。随着分子生物学的发展，基因工程、遗传工程、DNA重组技术已经用于构建有特殊降解代谢能力的工程菌，它们具有潜在的参与生物治理的能力。目前面临的问题是，这种转基因的工程菌会不会对原有的生态系统造成一些不可预知的影响。而且，经过定向操作培养来消耗像杀虫剂这类污染物的细菌，常优先摄取它们在土壤或水中发现的那些普通的营养成分，而随后出现的变种更是不把分解污染物当回事。如果这些定向培养的细菌能够在环境中旺盛生长并繁殖开来，而且土壤或水中的原生动物和掠食者会很快发现这一丰富的食物来源，并开始以这类细菌为食，导致生物修复过程的停滞。因此，在微生物的环境治理中，还有很多问题亟待解决，我们对微生物的降解活动了解得还很模糊，对这些过程中的生物化学知识的掌握也实在有限。有很多研究成果目前还只停留在实验室里，要大规模应用，还有许多技术的瓶颈和经济因素的限制。三、 综述 微生物在地球上的各种生命元素的循环变化中扮演着重要的角色，它还是我们人类活动所造成的污染的清洁者，它总是在最不起眼的角落默默地净化着我们的环境，维持着生物圈中各种生命活动有序高效地运转。可以用一句话来说，微生物完全不需要动物和植物，而动物和植物却时时刻刻离不开微生物。 
基因工程genetic engineering 基因工程又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础， 以分子生物学和微生物学的现代方法为手段， 将不同来源的基因(DNA分子)，按预先设计的蓝图， 在体外构建杂种DNA分子， 然后导入活细胞， 以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、 生产新产品。基因工程技术为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段。 什么是基因工程？【简介】 基因工程是生物工程的一个重要分支，它和细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程共同组成了生物工程。 所谓基因工程（genetic engineering)是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术，是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。它是用人为的方法将所需要的某一供体生物的遗传物质——DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，以让外源物质在其中“安家落户”，进行正常的复制和表达，从而获得新物种的一种崭新技术。 基因工程是在分子生物学和分子遗传学综合发展基础上于本世纪70年代诞生的一门崭新的生物技术科学。一般来说，基因工程是指在基因水平上的遗传工程，它是用人为方法将所需要的某一供体生物的遗传物质--DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，以让外源遗传物质在其中"安家落户"，进行正常复制和表达，从而获得新物种的一种崭新的育种技术。 这个定义表明，基因工程具有以下几个重要特征：首先，外源核酸分子在不同的寄主生物中进行繁殖，能够跨越天然物种屏障，把来自任何一种生物的基因放置到新的生物中，而这种生物可以与原来生物毫无亲缘关系，这种能力是基因工程的第一个重要特征。第二个特征是，一种确定的DNA小片段在新的寄主细胞中进行扩增，这样实现很少量DNA样品"拷贝"出大量的DNA，而且是大量没有污染任何其它DNA序列的、绝对纯净的DNA分子群体。科学家将改变人类生殖细胞ＤＮＡ的技术称为“基因系治疗”（ｇｅｒｍｌｉｎｅｔｈｅｒａｐｙ），通常所说的“基因工程”则是针对改变动植物生殖细胞的。无论称谓如何，改变个体生殖细胞的ＤＮＡ都将可能使其后代发生同样的改变。 迄今为止，基因工程还没有用于人体，但已在从细菌到家畜的几乎所有非人生命物体上做了实验，并取得了成功。事实上，所有用于治疗糖尿病的胰岛素都来自一种细菌，其ＤＮＡ中被插入人类可产生胰岛素的基因，细菌便可自行复制胰岛素。基因工程技术使得许多植物具有了抗病虫害和抗除草剂的能力；在美国，大约有一半的大豆和四分之一的玉米都是转基因的。目前，是否该在农业中采用转基因动植物已成为人们争论的焦点：支持者认为，转基因的农产品更容易生长，也含有更多的营养（甚至药物），有助于减缓世界范围内的饥荒和疾病；而反对者则认为，在农产品中引入新的基因会产生副作用，尤其是会破坏环境。 诚然，仍有许多基因的功能及其协同工作的方式不为人类所知，但想到利用基因工程可使番茄具有抗癌作用、使鲑鱼长得比自然界中的大几倍、使宠物不再会引起过敏，许多人便希望也可以对人类基因做类似的修改。毕竟，胚胎遗传病筛查、基因修复和基因工程等技术不仅可用于治疗疾病，也为改变诸如眼睛的颜色、智力等其他人类特性提供了可能。目前我们还远不能设计定做我们的后代，但已有借助胚胎遗传病筛查技术培育人们需求的身体特性的例子。比如，运用此技术，可使患儿的父母生一个和患儿骨髓匹配的孩子，然后再通过骨髓移植来治愈患儿。 随着DNA的内部结构和遗传机制的秘密一点一点呈现在人们眼前，特别是当人们了解到遗传密码是由 RNA转录表达的以后，生物学家不再仅仅满足于探索、提示生物遗传的秘密，而是开始跃跃欲试，设想在分子的水平上去干预生物的遗传特性。 如果将一种生物的 DNA中的某个遗传密码片断连接到另外一种生物的DNA链上去，将DNA重新组织一下，就可以按照人类的愿望，设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型，这与过去培育生物繁殖后代的传统做法完全不同。 这种做法就像技术科学的工程设计，按照人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种生物的那个“基因”重新“施工”，“组装”成新的基因组合，创造出新的生物。这种完全按照人的意愿，由重新组装基因到新生物产生的生物科学技术，就称为“基因工程”，或者说是“遗传工程”。 【基因工程的基本操作步骤】 基因工程步骤 获取目的基因是实施基因工程的第一步。 基因表达载体的构建是实施基因工程的第二步，也是基因工程的核心。 将目的基因导入受体细胞是实施基因工程的第三步。 目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过检测与鉴定才能知道。这是基因工程的第四步工作。 基因工程的前景科学界预言，21世纪是一个基因工程世纪。基因工程是在分子水平对生物遗传作人为干预，要认识它，我们先从生物工程谈起：生物工程又称生物技术，是一门应用现代生命科学原理和信息及化工等技术，利用活细胞或其产生的酶来对廉价原材料进行不同程度的加工，提供大量有用产品的综合性工程技术。 生物工程的基础是现代生命科学、技术科学和信息科学。生物工程的主要产品是为社会提供大量优质发酵产品，例如生化药物、化工原料、能源、生物防治剂以及食品和饮料，还可以为人类提供治理环境、提取金属、临床诊断、基因治疗和改良农作物品种等社会服务。 生物工程主要有基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程等5个部分。其中基因工程就是人们对生物基因进行改造，利用生物生产人们想要的特殊产品。随着DNA的内部结构和遗传机制的秘密一点一点呈现在人们眼前，生物学家不再仅仅满足于探索、提示生物遗传的秘密，而是开始跃跃欲试，设想在分子的水平上去干预生物的遗传特性。 美国的吉尔伯特是碱基排列分析法的创始人，他率先支持人类基因组工程 如果将一种生物的DNA中的某个遗传密码片断连接到另外一种生物的DNA链上去，将DNA重新组织一下，不就可以按照人类的愿望，设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型吗？这与过去培育生物繁殖后代的传统做法完全不同，它很像技术科学的工程设计，即按照人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种生物的那个“基因”重新“施工”，“组装”成新的基因组合，创造出新的生物。这种完全按照人的意愿，由重新组装基因到新生物产生的生物科学技术，就被称为“基因工程”，或者称之为“遗传工程”。 人类基因工程走过的主要历程怎样呢？1866年，奥地利遗传学家孟德尔神父发现生物的遗传基因规律；1868年，瑞士生物学家弗里德里希发现细胞核内存有酸性和蛋白质两个部分。酸性部分就是后来的所谓的DNA；1882年，德国胚胎学家瓦尔特弗莱明在研究蝾螈细胞时发现细胞核内的包含有大量的分裂的线状物体，也就是后来的染色体；1944年，美国科研人员证明DNA是大多数有机体的遗传原料，而不是蛋白质；1953年，美国生化学家华森和英国物理学家克里克宣布他们发现了DNA的双螺旋结果，奠下了基因工程的基础；1980年，第一只经过基因改造的老鼠诞生；1996年，第一只克隆羊诞生；1999年，美国科学家破解了人类第 22组基因排序列图；未来的计划是可以根据基因图有针对性地对有关病症下药。 人类基因组研究是一项生命科学的基础性研究。有科学家把基因组图谱看成是指路图，或化学中的元素周期表；也有科学家把基因组图谱比作字典，但不论是从哪个角度去阐释，破解人类自身基因密码，以促进人类健康、预防疾病、延长寿命，其应用前景都是极其美好的。人类10万个基因的信息以及相应的染色体位置被破译后，破译人类和动植物的基因密码，为攻克疾病和提高农作物产量开拓了广阔的前景。将成为医学和生物制药产业知识和技术创新的源泉。美国的贝克维兹正在观察器皿中的菌落，他曾对人类基因组工程提出警告。 科学研究证明，一些困扰人类健康的主要疾病，例如心脑血管疾病、糖尿病、肝病、癌症等都与基因有关。依据已经破译的基因序列和功能，找出这些基因并针对相应的病变区位进行药物筛选，甚至基于已有的基因知识来设计新药，就能“有的放矢”地修补或替换这些病变的基因，从而根治顽症。基因药物将成为21世纪医药中的耀眼明星。基因研究不仅能够为筛选和研制新药提供基础数据，也为利用基因进行检测、预防和治疗疾病提供了可能。比如，有同样生活习惯和生活环境的人，由于具有不同基因序列，对同一种病的易感性就大不一样。明显的例子有，同为吸烟人群，有人就易患肺癌，有人则不然。医生会根据各人不同的基因序列给予因人而异的指导，使其养成科学合理的生活习惯，最大可能地预防疾病。 人类基因工程的开展使破译人类全部DNA指日可待。 基因工程将破译DNA 信息技术的发展改变了人类的生活方式，而基因工程的突破将帮助人类延年益寿。目前，一些国家人口的平均寿命已突破80岁，中国也突破了70岁。有科学家预言，随着癌症、心脑血管疾病等顽症的有效攻克，在2020至2030年间，可能出现人口平均寿命突破100岁的国家。到2050年，人类的平均寿命将达到90至95岁。 人类将挑战生命科学的极限。1953年2月的一天，英国科学家弗朗西斯·克里克宣布：我们已经发现了生命的秘密。他发现DNA是一种存在于细胞核中的双螺旋分子，决定了生物的遗传。有趣的是，这位科学家是在剑桥的一家酒吧宣布了这一重大科学发现的。破译人类和动植物的基因密码，为攻克疾病和提高农作物产量开拓了广阔的前景。1987年，美国科学家提出了“人类基因组计划”，目标是确定人类的全部遗传信息，确定人的基因在23对染色体上的具体位置，查清每个基因核苷酸的顺序，建立人类基因库。1999年，人的第22对染色体的基因密码被破译，“人类基因组计划”迈出了成功的一步。可以预见，在今后的四分之一世纪里，科学家们就可能揭示人类大约5000种基因遗传病的致病基因，从而为癌症、糖尿病、心脏病、血友病等致命疾病找到基因疗法。 继2000年6月26日科学家公布人类基因组"工作框架图"之后，中、美、日、德、法、英等6国科学家和美国塞莱拉公司2001年2月12日联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。这次公布的人类基因组图谱是在原"工作框架图"的基础上，经过整理、分类和排列后得到的，它更加准确、清晰、完整。人类基因组蕴涵有人类生、老、病、死的绝大多数遗传信息，破译它将为疾病的诊断、新药物的研制和新疗法的探索带来一场革命。人类基因组图谱及初步分析结果的公布将对生命科学和生物技术的发展起到重要的推动作用。随着人类基因组研究工作的进一步深入，生命科学和生物技术将随着新的世纪进入新的纪元。 克隆羊多利 基因工程在20世纪取得了很大的进展，这至少有两个有力的证明。一是转基因动植物，一是克隆技术。转基因动植物由于植入了新的基因，使得动植物具有了原先没有的全新的性状，这引起了一场农业革命。如今，转基因技术已经开始广泛应用，如抗虫西红柿、生长迅速的鲫鱼等。1997年世界十大科技突破之首是克隆羊的诞生。这只叫“多利”母绵羊是第一只通过无性繁殖产生的哺乳动物，它完全秉承了给予它细胞核的那只母羊的遗传基因。“克隆”一时间成为人们注目的焦点。尽管有着伦理和社会方面的忧虑，但生物技术的巨大进步使人类对未来的想象有了更广阔的空间。 基因工程大事记 1860至1870年 奥地利学者孟德尔根据豌豆杂交实验提出遗传因子概念，并总结出孟德尔遗传定律。 1909年 丹麦植物学家和遗传学家约翰逊首次提出“基因”这一名词，用以表达孟德尔的遗传因子概念。 1944年 3位美国科学家分离出细菌的DNA（脱氧核糖核酸），并发现DNA是携带生命遗传物质的分子。 1953年 美国人沃森和英国人克里克通过实验提出了DNA分子的双螺旋模型。 1969年 科学家成功分离出第一个基因。 1980年 科学家首次培育出世界第一个转基因动物转基因小鼠。 1983年 科学家首次培育出世界第一个转基因植物转基因烟草。 1988年 KMullis发明了PCR技术。 1990年10月 被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划启动。 1998年 一批科学家在美国罗克威尔组建塞莱拉遗传公司，与国际人类基因组计划展开竞争。 1998年12月 一种小线虫完整基因组序列的测定工作宣告完成，这是科学家第一次绘出多细胞动物的基因组图谱。 1999年9月 中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的1%。中国是继美、英、日、德、法之后第6个国际人类基因组计划参与国，也是参与这一计划的惟一发展中国家。 1999年12月1日 国际人类基因组计划联合研究小组宣布，完整破译出人体第22对染色体的遗传密码，这是人类首次成功地完成人体染色体完整基因序列的测定。 2000年4月6日 美国塞莱拉公司宣布破译出一名实验者的完整遗传密码，但遭到不少科学家的质疑。 2000年4月底 中国科学家按照国际人类基因组计划的部署，完成了1%人类基因组的工作框架图。 2000年5月8日 德、日等国科学家宣布，已基本完成了人体第21对染色体的测序工作。 2000年6月26日 科学家公布人类基因组工作草图，标志着人类在解读自身“生命之书”的路上迈出了重要一步。 2000年12月14日 美英等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱，这是人类首次全部破译出一种植物的基因序列。 2001年2月12日 中、美、日、德、法、英6国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。 科学家首次公布人类基因组草图“基因信息”。
